경북대·ETRI, 리튬전지 '12분 고속충전' 핵심 원리 규명…차세대 모빌리티 혁신 기대

전기차, 드론, 로봇 등 차세대 모빌리티에 사용되는 고에너지밀도 리튬전지를 약 12분 수준으로 급속 충전할 수 있는 원리를 밝힌 연구 결과가 나왔다.

7일 경북대에 따르면 스마트모빌리티공학과 오지민 교수팀은 한국전자통신연구원(ETRI) 이명주 박사와 공동연구를 통해 고니켈 함량 양극을 사용하는 고에너지밀도 리튬전지의 급속 충전을 가능하게 하는 전해질 설계와 전극 표면 성능 향상 메커니즘을 규명했다.

고니켈 함량 리튬전지는 에너지밀도가 높아 한 번 충전으로 더 오래 사용할 수 있지만, 충전 속도를 크게 높일 경우 덴드라이트 석출과 리튬 이온 이동 지연, 충·방전 과정에서의 전극 열화 등으로 급속 충전에 한계가 있었다.

연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 전해질 설계에 주목했다. 리튬 이온 이동이 빠른 에테르계 전해질에 배터리 전극을 보호해 급속 충전을 가능하게 하는 첨가제인 FEC(플루오로에틸렌 카보네이트)를 적절히 도입했다.

그 결과 약 12분 수준의 급속 충전 조건(5C 이상)에서도 안정적인 충·방전 성능을 구현할 수 있음을 확인했다.

특히 FEC는 충·방전 과정에서 불화리튬(LiF) 성분의 단단한 보호층을 전극 표면은 물론 내부까지 형성해, 양극과 음극 모두에서 리튬 이온이 안정적으로 이동하도록 돕는 역할을 하는 것으로 나타났다.

이로 인해 고출력 조건에서도 전극 열화와 내부 저항 증가가 효과적으로 억제됐다.

또한, 연구팀은 설계 용량과 니켈 함량이 서로 다른 NCM(니켈·코발트·망간) 계열 양극 소재를 비교 분석해, 전극 설계 조건에 따라 계면 전도 특성과 이온 이동 거동이 달라진다는 점을 체계적으로 규명했다.

이는 급속 충전 성능을 좌우하는 질량 이동(mass migration) 특성의 중요성을 실험적으로 보여주는 결과라고 연구팀은 설명했다.

오지민 교수는 "이번 연구는 전해질과 전극을 함께 고려하는 '통합 설계 전략'의 필요성을 보여준 사례이며, 고에너지밀도 리튬전지의 급속 충전 한계를 개선할 수 있는 설계 방향과 가이드라인을 제시했다"고 말했다.

이어 "전해질 계면에서 형성되는 무기 보호층의 역할과 급속 충전 성능 저하의 근본 메커니즘을 규명한 만큼, 전기차와 에너지저장장치(ESS), 드론, 로봇 등 다양한 응용 분야의 성능 향상에 기여할 것이다"고 부연했다.

이번 연구는 경북대 우수신임교원 정착연구비사업, 한국연구재단 글로벌기초연구실지원사업, 한국산업기술기획평가원 주력산업IT융합사업, 중소기업기술정보진흥원 중소기업기술혁신개발사업의 지원으로 수행됐다.

교신저자는 오지민 교수, 제1저자는 이명주 박사이며, 공동저자는 영남대 김진서 연구원이다. 연구 결과는 공학·융합 분야 최고 수준의 국제 학술지 '리절츠 인 엔지니어링(Results in Engineering)'에 지난해 12월 25일 온라인으로 게재됐다.